PLC在卷扬机自动控制系统中的应用

高炉卷扬机PLC控制变频调速系统设计摘要 高炉上料卷扬机是高炉的关键设备之一，当前国内多数304M3级高炉的主卷扬机的调速方式采用转子串电阻调速式，但电阻容易烧毁，加上卷扬机钢丝绳松紧程度不一，有时出现料车“挂顶”事故，严重影响了生产，因此需要此系统进行改造。本文针对异步电机这样一个多变量的、强祸合、参数时变的复杂非线性系统，系统地研究了异步电机参数辨识与状态估计方法，分析了交流电动机各种调速方法的优劣。转子磁场定向控制使交流调速系统的性能产生了质的飞跃，异步电机无速度传感器矢量控制更是增加了系统的简易性和鲁棒性，这种系统需解决两个问题:转速的估计和转子磁链的观测。对系统的仿真实验表明，基于模型参考自适应系统的矢量控制系统具有较好的静态和动态性能，选择了矢量控制变频器解决进料系统控制问题。最后，本文给出了一种基于矢量控制的异步电机变频调速系统实现方案。变频调速的主电路设计是带有特殊性的电力电路设计，既要遵守电力设计的一般规律，也要考虑变频调速系统的特殊情况，同时针对控制目的选择变频器，通过控制端子实现的控制系统功能，正确设置命令和频率源等参数，采用PLC控制保证调速控制精度，考虑控制电路的抗干扰措施，对硬、软件进行了优化设计，从而保证了系统控制的实时性和安全性。关键词: 高炉；上料卷扬机；PLC变频器；变频调速Blast furnace hoist Abstract Blast Furnace Feeding winch is one of the key equipment, most of the current domesticBF-300 m3 the main winch by way of rotor speed governor string resistance, but resistance toburning, With varying degrees of elastic rope winch, sometimes expected to overheadincident has seriously affected production, the system needs to be transformed. This paper induction motor that more than one variable, strong coupling, time-varying parameters of the complex nonlinear systems, systematic study of the induction motor parameter identification with the state estimation methods, the analysis of the various AC Motor Speed way the pros and cons. Rotor field oriented control system to speed the exchange of properties of a qualitative leap, asynchronous motor speed sensor vector control is to increase the systems simplicity and robustness, such systems need to solve two problems: the estimated speed And the rotor flux observation. The system simulation experiments show that, based on the model reference adaptive system of vector control system has good static and dynamic performance, choose the vector control converter solution feed system control issues. Finally, this paper, which is based on vector control of the induction motor Frequency Control System programmer. Frequency Control of the main circuit design is a unique power circuit design, it is necessary to comply with the design of the power of the general laws and Frequency Control System should also consider the special circumstances, for control purposes choice inverter, by controlling the realization of the terminal control System, properly set up a command and parameters such as frequency source, a PLC control ensure speed control accuracy and control circuit to consider the anti-amming measures, the hardware and software has been optimized design, thus ensuring a system of real-time control and safety.Keywords；Blast furnace; Feedingwinch; PLC Drive; Frequency 前 言1.系统的背景和研究意义高炉上料卷扬机是高炉冶金系统的关键设备之一，当前多数的高炉卷扬机的调速方式传奇串电阻调速，但电阻容易烧毁，加上卷扬机钢丝绳松紧程度不一，有时出现料车“挂顶”事故，严重影响了生产，因此需要此系统进行改造。本文给出了一种基于矢量控制的电机变频调速系统实现方案，使系统具有较好的工作性能。同时采用PLC控制保证调速控制精度，考虑控制电路的空干扰措施，对硬、软件进行了优化设计，从而保证了系统控制的可靠性和安全性。2.PLC技术的发展及工作特点2.1 PLC的概述可编程逻辑控制器，及PLC，是一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术与计算操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。2.2 PLC的发展20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，可使编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机噶站起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为PLC（Programmable Logic Controller）。20世纪70年代终末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。2.3 PLC的工作特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。二、适用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，远高于其他各种机型。3.变频器技术的发展及应用3.1 变频器的概述变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源方式来控制交流电动机的电力控制设备。3.2 变频器的发展变频器技术诞生背景是交流电机无极调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大的故障效高而应用受限。20世纪60年代后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。20世纪70年代开始，脉宽调速变压变频调速的研究得到突破，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广发应用。最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场。3.3 变频器的应用在风机、水泵上应用变频器主要是为了节能。在风机、泵类设备的传统调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。但在电机中使用变频器是为了调速，并降低启动电流。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电，这个过程叫整流。把直流电变换为交流电的装置，其科学术语为逆变器。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。变频不是处处可以省电的，有不少场合用变频并不一定能省电。 作为电子电路，变频器本身也要耗电（约额定功率的3-5%）。一台1.5匹的空调自身耗电算下来也有20-30W，相当于一盏长明灯。变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。但是他的前提条件是：第一、大功率并且为风机/泵类负载；第二、装置本身具有节电功能（软件支持）；第三、长期连续运行。这是体现节电效果的三个条件。除此之外，无所谓节不节电，没有什么意义。如果不加前提条件的说变频器工频运行节能，就是夸大或是商业炒作。4.课题设计的内容概述本课题的设计内容主要分为以下几点：1. 上网查找资料。2. 翻阅详细资料。3. 确定设计方案。4. 软件设计和系统调试。5. 论文的编写。5.论文安排内容本论文的安排内容如下：第一章 系统概述所谓系统概述就是对冶金高炉上料系统做了一个，让大家对整个上料系统的构成、工艺流程和控制要求有一个大概的了解。第二章 料车高、中、低速运行参数设置也就是卷扬机上料系统中要求的速度控制，本课题中，要求用三段速控制，分为：高速、中速、低速。具体的速度控制要求见图2-1。而速度的控制就需要变频器对其进行调速，也就需要知道变频器的参数意义、端子的具体功能与参数设置方法。本章节对这些方面做了具体的介绍。第三章 硬件设计顾名思义，本章节具体介绍了系统的硬件设计，比如：交流电机、变频器与PLC的选择，硬件的接线图等。第四章 软件设计介绍卷扬机上料系统的程序设计。第五章 调试运行于注意事项很简单，输入进PLC中的程序进行调试，把调试的结果以图片和视频的形式呈现出来。并把调试中需要注意的方面做一个介绍。第一章 系统概述1.1系统构成在冶金高炉炼铁生产线上，一般把准备好的炉料从地面的贮矿槽运送到炉顶的生产机械为高炉上料设备。它主要包括料车坑、料车、斜桥、上料机。料车的机械传动系统如图1-1所示。而料车卷扬机是料车上料机的拖动设备，结构如图1-2所示。图1-1 料车传动系统示意图图1-2 料车卷扬机示意图冶金炉高100m，电动机容量37kW，转速740r/min，卷筒直径500mm，总减速比15.75，最高钢绳速度1.5m/s、料车全行程时间40s和钢绳全行程51m等。1.2系统工艺流程与控制要求在工作过程中，两个料车交替上料，当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的车箱自重。当上行或下行时，两个料车由一个卷扬机拖动，不但节省了拖动电动机的功率，而且当电动机运转时总有一个重料车上行，没有空行程。这样使拖动电动机总是处于电动状态运行，避免了电动机处于发电运行状态所带来的一些问题。料车运行分析：料车分为正常运行状态与检修状态。在正常运行状态中斜桥上的运行分为启动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动共6个阶段，在整个过程中包括一次加速、两次减速。检修状态中，左右料车可点动运行。系统可单程运行和连续运行。系统设有急停按钮与电磁抱闸装置以应付突发状况。系统工艺流程图如图1-3所示。根据料车的工艺流程，卷扬机的工作特点主要有以下几点。 能够频繁启动、制动、停车、反向运行，转速平稳，过渡时间短。 能按照一定的速度曲线运行。 调速范围广，一般调速范围为0.53.5m/s，目前料车最高线速度可达3.8m/s。系统工作可靠。料车在进入曲线轨迹段和离开料坑时不能有高速冲击，重点位置能准确停车。图1-3 卷扬上料系统工艺流程图第二章 料车高、中、低速运行参数设置2.1料车速度控制要求根据料车运行素的要求，电动机在高速、中速、低速段的速度曲线采用变频器设定的固定频率，按速度切换主令控制器发出的信号由PLC输出端控制转速的切换。而速度的改变由变频器控制实现。根据料车运行速度，可画出变频器频率曲线，如图2-1所示。图2-1中OA为重料车启动加速段，加速时间为3s；AB为料车高速运行段，f1=50Hz为高速运行时所对应的变频器频率，电动机转速为740r/min，钢绳速度1.5m/s；BC为料车的第一次减速段，由主令控制器发出第一次减速信号给PLC，由PLC控制变频器MM440，使频率从20Hz下降到6Hz，电动机转速从296r/min下降到88.8r/min，钢绳速度从0.6m/s下降到0.18m/s；EF为料车降低速度运行段，频率为6Hz；FG为料车制动停车段，当料车运行至高炉顶时，限位开关发出停车命令，由PLC控制MM440完成停车。左右料车运行速度曲线一致。图2-1 左料车上行时变频器频率曲线2.2变频器的端子功能变频器端子功能如表2-2所示。表2-2 变频器端子功能表端子号参数的设置值缺省的操作5P0701=1正向运行6P0702=12反向运行7P0703=9故障确认8P0704=15固定频率16P0705=15固定频率17P0706=15固定频率2.3变频器的参数意义变频器各项参数意义如表2-1所示。表2-1 MM4410参数设置表参数号设置值缺省值P01000功率以KW表示，频率为50HzP03001电动机类型选择（异步电动机）P0304380电动机额定电压（V）P030578.2电动机额定电流（A）P030737电动机额定功率（kW）P030991电动机额定效率（%）P031050电动机额定频率（Hz）P0311740定冬季额定转速（r/min）P07002命令源选择“由端子排输入”P07011ON接通正转，OFF停止P07022ON接通反转，OFF停止P070317选择固定频率（Hz）P070417选择固定频率（Hz）P070517选择固定频率（Hz）P073152.3变频器故障P10003选择固定频率设定值P100150选择固定频率f1=50HzP100220选择固定频率f2=20HzP10046选择固定频率f3=6HzP10800电动机运行的最低频率（Hz）P108250电动机运行的最高频率（Hz）P11203斜坡上升时间（s）P11213斜坡下降时间（s）P130020变频器为无速度反馈的矢量控制2.4变频器的参数设置操作方法2.4.1 复位为出厂设置1.设置P0010=302.设置P0970=1提示：复位过程约需三分钟过程。2.4.2 常规操作控制面板操作：1. 变频器没有主电源开关，因此，当电源电压接通时变频器就已带电。在按下运行（RUN）键，或者在数字输入端 5出现“ON”信号(正向旋转)之前，变频器的输出一直被封锁，处于等待状态。2. 如果装有 BOP或 AOP并且已选定要显示输出频率(P0005=21)，那么，在变频器减速停车时，相应的设定值大约每一秒钟显示一次。3. 变频器出厂时已按相同额定功率的西门子四极标准电动机的常规应用对象进行编程。如果用户采用的是其它型号的电动机，就必须输入电动机铭牌上的规格数据。关于如何读取电动机铭牌数据的细节。4. 除非 P0010 = 1，否则是不能修改电动机参数的。5. 为了使电动机开始运行，必须将 P0010 返回“ 0 ”值。 综述，在卷扬级上料系统中，用变频器对料车系统调速进行控制，可降低系统能耗，虽然料车系统不是风机或泵类系统，但此系统功率大，且长期连续运行，所以用变频器对其进行调速控制可大大降低功率，减少能耗，达到环保的效果。第三章 硬件设计3.1设备选择3.1.1 交流电动机的选用炼铁高炉主卷扬机变频调速拖动系统在选择交流异步电动机时，需要考虑以下问题：应注意低频时有效转矩必须满足的要求；电动机必须有足够大的启动转矩来确保重载启动。针对本系统100m的高炉，选用Y280S-8的三相交流感应电动机。Y280S-8三相交流感应电动机的基本参数：功 率：37KW级 数：8级转 速：710转电 压：380V电 流：76.1A效 率：91.0%功率因素：0.79COS3.1.2 变频器的选择（1）变频器的容量高炉卷扬系统具有恒转矩的特性，重载启动时，变频器的容量应按运行过程可能出现的最大工作电流来选择，即：INIMmax式中，IN为变频器的额定电流；IMmax为电动机的最大工作电流。变频器的过载能力通常为变频器额定电流的1.5倍，这只对电动机的启动或制动过程才有意义，不能作为变频器选型时的最大电流。因此，所选择的变频器容量应比变频器说明书中的“配用电动机容量”大一挡至大二挡；且应具有无反馈矢量控制功能，使电动机在整个调速范围内，具有真正的恒转矩，满足负载特性要求。本系统选用西门子MM440，额定功率55kW，额定电流110A的变频器。该变频器采用高性能的矢量控制技术，具有超强的过载能力，能提供持续3s的200%过载能力，同时提供低速高转矩输出和良好的动态特性。（2）制动单元从上料卷扬运行速度曲线可以看出，料车在减速或定位停车时，应选择相应的制动单元及制动电阻，使变频器直流回路的泵升电压UD保持在允许范围内。（3）控制与保护料车卷扬系统是钢铁生产中的重要环节，拖动控制系统应保证绝对安全可靠。同时，高炉炼铁生产现场环境较为恶劣，所以，系统还应具有必要的故障检测和诊断功能。3.2 I/O分配及PLC的选型3.2.1 I/O分配I/O分配见如3-1所示。表3-1 S7-200PLC I/O地址分配表输入输出上电按钮（SB1）I0.0左车上行（KA1）Q0.4急停按钮（SB2）I0.1右车上行（KA2）Q0.5电磁抱闸启动按钮（SB3）I0.2高速运行（KA3）Q0.6启动按钮（SB4）I0.3中速运行（KA4）Q0.7停车按钮（SB5）I0.4低速运行（KA5）Q1.0左车点动按钮（SB6）I0.5电源指示灯（HL1）Q1.1右车点动按钮（SB7）I0.6故障指示灯（HL2）Q1.2左车中速限位开关（SQ1）I0.7故障警铃(BELL)Q1.3右车中速限位开关（SQ2）I1.0变频器上电线圈（KM1）Q1.4左车低速限位开关（SQ3）I1.1电磁抱闸保护线圈（KM2）Q1.5右车低速限位开关（SQ4）I1.2左车到位限位开关（SQ5）I1.3右车到位限位开关（SQ6）I1.4正常/检修状态转换（SB8）I1.5故障信号（SB9）I1.63.2.2 PLC的选型在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体应考虑到：功能合理；PLC的处理速度应满足实时控制的要求；PLC应用系统结构合理、机型系统应统一；在线编程和离线编程的选择等。本次设计所选用的可编程控制器是S7-200系列。这种PLC是由西门子自动化与驱动集团开发、生产的小型模块化PLC系统。S7-200PLC除了能够进行传统的继电器逻辑控制、计数和计时控制，还能进行复杂的数学计算、处理模拟信号，并可支持多种协议和形式的数据通信。S7-200系列产品具有高性能的中央处理器和种类繁多的扩展模块，因其模块化的灵活设计而具有广泛的适用范围，同时具有极高的性价比。S7-200无论单机运行，还是互相或者与其他设备组成网络，都具有优异的表现。（1）S7-200的主要特性快速的中央处理运算能力。极丰富的编程指令集。响应快速的数字量和模拟量输入/输出通道。操作便捷，易于掌握。强大的通信能力。丰富的扩展模块。（2）S7-200的CPUS7-200的核心部件是CPU，实际的控制运算就在CPU中进行。西门子生产几种型号的S7-200CPU，每种CPU拥有不同的I/O点数和特殊功能。目前提供的S7-200CPU有：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。本次课题选用的CPU型号为CPU226。 （3）S7-200扩展模块S7-200CPU为了扩展I/O点和执行特殊的功能，可以连接扩展模块（CPU221除外）。扩展模块主要有如下几类：数字量I/O扩展模块。数字量I/O扩展模块包括：数字量输入扩展模块EM221、数字量输出扩展模块EM222、数字量输入/输出模块EM223。模拟量I/O扩展模块。模拟量I/O扩展模块包括：模拟量输入模块EM231、模拟量输出模块EM232、模拟量输入/输出模块EM235。通信模块。通信模块包括：PROFIBUS-DP从站通信模块EM227、调制解调器通信模块EM241、工业以太网通信模块CP243-1/CP243-1IT、AS-Interface主站模块CP243-2。 特殊功能模块。3.3 I/O接线图接线图如图3-1所示。 图3-1-1 卷扬上料系统PLC接线图 图3-1-2 卷扬上料系统变频器接线图第四章 软件设计4.1 S7-200PLC程序设计本课题利用西门子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP3软件编写。本软件采用了主程序与子程序的方法编写。4.1.1 主程序主程序是由：电源（Power）、指示灯（Lights）、电磁抱闸（Electromagnetic brake）、正常运行（Nomal）和检修状态（Maintenance）五个子程序组成，主程序起到一个组织与控制这五个子程序的功能和作用。4.1.2 电源（Power）电源子程序负责系统的上电4.1.3 指示灯（Lights）指示灯子程序在系统中控制所有的灯。4.1.4 电磁抱闸（Electromagnetic brake）电磁抱闸子程序用来控制系统中的电磁抱闸装置4.1.5 正常运行（Nomal）4.1.6 检测状态（Maintenance） 第五章 调试运行调试运行是整个课题设计中非常重要的一步，它分为软件测试和整体测试，具体的软件测试步骤如图5-1所示。图5-1 卷扬上料系统调试步骤流程图结束语本次设计在曲绍华老师的细心指导和严格要求下完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着项老师的心血和汗水，在三年的学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向曲绍华老师表示深深地感谢和崇高的敬意。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，是我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的细心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，再次向青岛理工大学，机电工程系的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们三年来的辛勤栽培。29